发展和人类进步面临的严峻问题和巨大挑战。面对化石燃料日益枯竭以及环境愈加恶化,开发绿色、新型能源以实现可持续发展成为研究和探索的热点。目前,除了对传统化石能源进行结构调整之外,越来越多的可再生新能源,诸如太阳能、风能、潮汐能和地热能等,被人们成功地开发和利用。然而,这些绿色能源具有间歇性的缺点,大多易受环境的影响而不能持续稳定地实现能量供应。因此,大规模发展和应用必须要有大容量、高效率能量储存技术的支持[1,2]。此外,近几年移动电子产品多功能化的快速发展和电动汽车等大功率交通工具的成功研发,对储能器件的能量密度以及功率密度提出了更高的要求。在现有的储能技术中,锂离子电池(Lithium-IonBatteries,LIBs)因容量大、循环寿命长和工作电压高,发展前景、开发研究和大规模应用得到了广泛的关注[3-5]。早在上世纪九十年代,日本Sony公司成功将LiCoO2正极材料和石墨负极材料组装成锂离子电池,并成功实现商业化[6]。经历了二十多年的迅猛发展,锂离子电池已广泛应用于手机、笔记本电脑和平板电脑等移动数码产品中,并且有进一步作为动力汽车和大型储能装置的供能来源的趋势,已经成为当今能源市场最具发展潜力和希望的高能绿色化学电源[7-9]。近几年,由于电动汽车的研发以及需求的日益增大,人们对于锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求。因此,发展更高性能的锂离子电池,即新一代锂离子电池,已成为迫切需要[10,11]。如图1-1,典型的锂离子电池是由层状钴酸锂(LiCoO2)材料和层状石墨材料分别作为正极和负极,以含1M六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DEC)溶液为电解液组装而成。其充放电过程被形象的描述为“摇椅式机理”[5,12]:充电时,锂离子由正极脱出,经由电解液嵌入至负极,同时电子从外电路供给到负极,保证电荷平衡;放电与充电过程相反。1
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